（机械设计及理论专业论文）基于topdown设计的装配模型建模方法研究.pdf

摘要 针对现有计算机辅助设计系统中的不完善之处，及自底向上( b o t t o m - u p ) 装配建模存在的问题，本文在研究自顶向下( t o p - d o w n ) 设计方法及装配建 模技术的基础上，采用基于t o p - d o w n 设计的装配建模方法进行产品装配设 计。首先，论述了t o p - d o w n 设计方法的产生、概念、研究现状及支持t o p - d o w n 设计的c a d 关键技术。由于装配模型是实现t o p - d o w n 设计的关键，论 文深入研究了面向t o p - d o w n 设计的产品装配模型的定义、表示等。在此基础 上研究了产品装配特征、装配关系等。其次，根据t o p - d o w n 设计思想，为完 成装配层次上零件的抽象描述和基于抽象零件的装配建模描述，提出了产品装 配结构树的概念，并以此来描述产品的装配层次结构模型，使复杂的问题简单 化为若干个子问题的并集。在此基础上，引入骨架模型s m 的概念，建立装配 概念模型，以s m 为纽带传递设计信息，在装配概念模型的统一控制下完成各 零件的详细设计。最后根据上述设计理论和方法，完成了一手持式汽油钻机的 装配建模，并开发了标准件和常用件图库，提高了设计效率和速度。通过对设 计结果进行有限元分析，产品装配模型不存在运动、体积等干涉，验证了上述 设计理论和方法的可行性和正确性。 关键词：自顶向下设计、装配结构树、骨架模型、装配概念模型 a b s t r a c t a i m c da tt h ef a u l t i n e s so fc o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e ma n de x i s t e n t p r o b l e m so fb o t t o m - u pd e s i g n , a s s e m b l ym o d e l i n gb a s e d o i lt o p - d o w nd e s i g n m e t h o di sa d o p t e dt od e s i g n , o i lt h eb a s i so fs t u d yo ft o p - d o w nd e s i g nm e t h o da n d a s s e m b l ym o d e l i n gt e c h n o l o g y f i r s t , t h i sp a p e ri n u o d u c e st h eo r i g i n , c o n c e p te n d r e s e a r c ha c t u a l i t yo ft o p - d o w n d e s i g nm e t h o d , k e yt e c h n o l o g i e sw h i c hs u s t a i nt o p - d o w nd e s i g nm e t h o d a s s e m b l ym o d e li st h ek e yt oa c h i e v et o p - d o w nd e s i g n , s oi t s d e f i n i t i o n , s o r t , a n de x p r e s s i o na l ed e 印l ys t u d i e di nt h ep a p e r b a s e do ra b o v e , t h e a s s e m b l yf e a t u r ea n da s s e m b l yr e l a t i o na l et h e ns t u d i e d a c c o r d i n gt ot h o u g h to f t o p - d o w nd e s i g n , i no r d e rt oa c c o m p l i s ht h ep a r t s a b s t r a c te x p r e s s i o na b o v ea s s e m b l y p l a n ea n dt h ea s s e m b l ym o d e l i n ge x p r e s s i o nb a s e do na b s t r a c tp a r t s ，t h ec o n c e p to f a s s e m b l ys t r u c t u r ef r e ei sp u tf o r w a r d , a n di sa p p l i e dt oe x p r e s sa s s e m b l ys m m t u r e m o d e l t h u si tm a k e c o m p l i c a t e dp r o b l e ms h n p l e t h e ns k e l e t o nm o d e l ( s m ) i s i n t r o d u c e di n t oa s s e m b l ys t r u c t u r em o d e l d e s i g ni n f o r m a t i o ni sp a s s e dt h r o u g hs m , a n dt h e np a r t sa r cd e s i g n e di nd e t a i lb yt a k i n ga s s e m b l yc o n c e p t u a lp r o t o t y p ea sa s k e l e t o no f p r o d u c t i nt h ee n du s i n gt h et h e o r ya n dm e t h o d sa b o v e ，ap o r t a b l ed r i l li s d e s i g n e d y e ts t a n d a r dp a r t sb a s ea n dp a r t si nc o m m o nu s e 黜b u i l t , s oi ti m p r o v e s d e s i g ne f f i c i e n c ye n ds p e e d 1 1 坞r e s u l to fe m u l a t i o ns h o w st h e r e sn oi n t e r f e r e n c e i n t ot h ea s s e m b l ym o d e l ，t h u si tv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t ya n dc o i t d 2 t i l e s so ft h et h e o r y a n dm e t h o d sa b o v e k e yw o r d s ：t o p - d o w nd e s i g n ；a s s e r a b l y s t r u c t u r et r e e ；s k e l e t o nm o d e l ；a s s e m b l y c o n c e p t u a lp r o t o t y p e 学位论文独创性声明； 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 丕】i 牛蛐 学位论文使用授权说明 弘7 年硐孑口日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者签名儿 - 司i # 始一吖年弓月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外制造业发展现状及c a d 技术的应用 自2 0 世纪7 0 年代以来，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多 变，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相互 渗透、相互竞争日趋激烈。制造业是国民经济的发动机。一个没有强大制造能力的 国家永远不可能成为经济强国。随着w t o 的加入，我国制造业已经不可避免地加 入了国际竞争，将面临更加严峻地挑战。为了适应迅速变化地市场需求，提高市场 竞争能力，现代的制造企业必须解决t q c s 难题，即以最快的上市速度( t - t i m e t om a r k e t ) 、最好的质量( q q u a r l i t y ) 、最低的成本( c - c o s t ) 和最优的服务 ( s s e r v i c e ) 来满足不同客户的需求【l j 。 市场竞争的生命力在于产品的创新。任何设计成果要转变为有竞争力的商品， 设计起着关键性的作用。设计是产品研制的第一道工序，设计工作的质量和水平， 直接关系到产品的质量、性能、研制周期和技术效益。世界各国都十分重视产品的 设计工作，纷纷采用各种新概念、新思想、新方法、新技术来改进自己的产品设计 开发模式，力求使其产品在市场有较强的竞争力和生命力。 随着二十世纪四、五十年代开始的计算机技术特别是计算机辅助设计 ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n - c a d ) 技术的迅猛发展，形成和发展了一系列计算机应用 技术和自动化信息系统，从最早研究c a d 的先躯之一萨瑟兰研制出一种画设计草 图的软件( s k e t c hp a d ) 开始，直到八十年代c a d 技术在市场上全面发展，以 至c a d 成为当今几乎所有工业企业都采用的重要技术。现代c a d 系统为机械设计 和制造提供了丰富的功能，从产品概念设计、详细设计、分析、加工到工程管理， 提供了全方位的解决方案和辅助功能，主要有1 2 4 1 ： ( 1 ) 轮廓参数化设计。参数化的轮廓及路径的设计方法被称为草绘。零件的 大部分尺寸是在草绘过程中完成的。在设计过程中设定其参数，通过修改参数值进 而改变零件的形状特征。设计人员可以在草绘模块中体现自己的设计思想。 ( 2 ) 零件造型。零件造型是指在计算机中建立零件的三维实体模型。设计人 员可以根据自己的设想将零件从计算机中逐步“制作”出来。在制造过程中，设计 人员可以从各个角度观察具有真实感的零件造型，如不满意，可以随机修改零件造 型。先进的c a d 系统都提供参数化的基于特征的实体造型方法。 ( 3 ) 装配造型。装配造型能够模仿实际的装配过程通过装配造型可以发现 由于设计不当在实际装配时可能出现的问题，如阅隙过小或过大、两件之间的于涉 河海大学硕士学位论文 基于t o p - d o w n 设计的装配模型建模方法研究 等。对于复杂的产品，装配造型可提供多样的方法提高造型的效率，如自顶向下 ( t o p - d o w n ) 设计方法。 ( 4 ) 工程图生成。大型c a d 系统均提供了很强的生成工程图的能力，其目的 是生成符合标准的工程图纸。先进的c a d 系统根据零件和装配造型自动生成投影 图、削面图和局部视图等，自动标注尺寸如果改变某一尺寸，相关的零件造型尺 寸也将随之改变，图纸中的线条长度和位置也将跟着变化，从而保证能够对设计进 行快速、一致的修改。 ( 5 ) 二次开发。二次开发是c a d 系统向用户提供的开发工具。由于机械产品 的用途多种多样，任何强大的c a d 系统都不可能向用户提供各种具体产品的解决 方案。提供二次开发的目的是让用户将自己或者第三方编写的程序集成到c a d 系 统中，完善应用系统。 ( 6 ) 有限元分析。先进的c a d 都提供有限元分析功能。有限元前处理是将实 体模型划分为有限元网格，以便进行有限元分析有限元后处理提供了对有限元分 析结果的直观显示和输出能力。 ( 7 ) 模具设计。系统根据注塑零件模型能自动生成模具型腔，协助确定分型 面的位置，选择模架，确定浇口、浇道的合理位置，根据不同材料的收缩率补偿修 改注塑零件的实体模型，确定合理的注塑工艺参数，分析零件的冷凝线和融合线， 提高注塑件的质量。 ( 8 ) 数控加工。数控加工功能用于产生加工工序规划、刀路轨迹，并能根据 加工工序做出时间及成本估计。用户可以采用参数化的方法定义数控刀具路径，进 一步对这些信息作后期处理，产生驱动n c 设备所需的数控编码。 ( 9 ) 加工过程仿真。加工过程仿真提供图像界面，对铣削加工及钻床加工等 操作过程进行模拟用户选定的工具会依照预先定义的切削路径加工物料，用户可 以清楚的看到加工过程及进度，工件、刀具、夹具及工艺路径一目了然。 ( 1 0 ) 其它功能。大型c a d 系统所提供的功能模块还很多，如钣金设计、电 缆设计等。有些是为系统服务的，如打印管理等。 随着计算机网络技术和基于“i n t e m e t ”环境下c a d 技术的发展，出现了并行 工程、敏捷制造、虚拟制造等现代先进制造技术。先进制造技术的兴起和应用，进 一步推动了c a d 技术的发展，同时，也对c a d 建模提出了更高的要求。要求建模 的方法应支持并行工程，即产品开发设计过程各环节应有一个统一的并包含产品全 部信息的数字化模型，以便设计过程各方面共享信息。因此，如何建立一个产品模 型，或者说如何构造一个产品设计模式，要该模式既能支持产品早期高层的概念设 计，又能支持后期的底层的详细结构设计，并且能满足并行工程等先进制造技术的 功能和过程的集成要求，达到网络环境下分布式协同设计【i 】【5 棚，是目前c a d 系统 研究的一个热点，也可以说是未来的发展方向之一。 2 第一章绪论 1 2 装配建模技术的研究现状 1 2 1 自底向上( b o t t o m - u p ) 的装配建模方法及存在的问题 在目前大部分的c a d 系统中，产品设计主要采用自底向上( b o t t o m - u p ) 的装 配建模方法，如图1 1 所示。它的主要思路是先设计好各个零件，然后将这些零件 拿到一起进行装配，如果在装配过程中发现某些零件不符合要求，诸如：零件与零 件之间产生干涉、某一零件根本无法进行安装等，就要重新对各零件进行设计、 增、删、改等繁琐的工作，再重新装配，若再发现问题，再进行修改，如此反复。 图1 1 产品b o t t o r u p 设计过程 图1 2 产品t o p - d o w n 设计过程 从以上产品b o t t o m - u p 设计过程可以看出，由于事先没有一个很好的规划，没 有一个全局的考虑，设计阶段的重复工作很多，造成了时间和人力资源的很大浪 费，工作效率低。这种设计过程是从零件设计到总体装配设计，即不支持产品从概 念设计到详细设计，又不能支持零件设计过程中的信息传递，特别是产品零、部件 之间的装配关系( 如装配形式、层次、配合等) 无法在现有的c a d 系统中得到完 整描述即使有的c a d 系统具有装配功能，但也仅仅是描述了实体模型中几何要 素的低级关联信息，其装配则是通过坐标变换将己经设计好的零件拼凑到一起的过 程。零、部件之间仍然没有必要的内在联系和约束，产品的设计意图、功能要求以 及许多装配语义信息都得不到必要的描述。但它的优点则是思路简单，操作快。目 前许多三维设计系统都采用这种装配建模方法 河海大学硕士学位论文 基于t o p - d o w n 设计的装配模型建模方法研究 1 2 2 自顶向下( t o p d o w n ) 设计方法 产品的设计尤其是新产品的开发设计是一个复杂的过程，是将产品市场需求映 像成产品功能要求、并将产品功能要求映像成几何结构的过程。要实现该过程，首 先要分析产品的功能要求，先设计出初步方案及其装配结构草图，得到产品的功能 概念模型，再对功能概念模型进行分析，设计计算，确定每个设计参数，将概念模 型映像成装配体模型，通过装配体模型传递设计信息，然后各设计小组在此装配体 模型的统一控制下，并行地完成各子装配体( 零部件) 的详细设计。最后对设计产 品分析，返回修改不满意之处，直至得到满足功能要求的产品。即要经过概念设 计、功能结构设计、产品详细设计及产品分析等阶段，是一自顶向下( t o p d o v m ) 的设计过程【刀，如图1 2 所示。 t o p - d o v m 设计方法强调在设计中首先从整体和全局入手，通过装配体模型自 顶向下地传递总体设计信息，然后在统一模型的约束下对各个部分进行详细设计 在整个过程中，可随时对设计进行修改。在概念设计阶段，通过修改装配体概念模 型，实现对产品整体设计方案的修改，且这种改变会通过特征的变动和传播，实现 自顶向下的层层传播和变动，从而改变装配体的整体结构形状。在详细设计阶段， 通过对各零件细部结构的修改，实现装配体局部结构形状的改变。最后对装配体进 行有关的有限元分析，并根据分析结果对装配体进行自顶向下的整体或局部修改， 重新生成模型并输出。与b o u o m - u p 设计方法相比，t o p - d o w n 设计方法具有如下 优点： ( 1 ) 符合产品设计过程和设计人员的思维过程。设计产品时，最初考虑的是 产品应实现的功能，最后才考虑实现这些功能的几何结构，所以产品的设计过程是 一个从抽象到具体的渐进过程。 ( 2 ) 便于实现各个子系统( 设计小组) 之间的协同，实现并行设计。在产品设 计的最初阶段，即概念设计阶段，就将产品的设计意图、主要功能、关键约束、配 合关系等重要信息确定下来，在进行任务分配时，这些重要信息也同时分配给各子 系统，这样，各子系统( 设计小组) 在此统一控制下，才能很好地配合，并行地完 成各子装配体( 零部件) 的详细设计。 ( 3 ) 在产品设计的中心层面上集中地建立重要的设计信息，拓展设计师的思维 面便于产品结构的优化。同时，把零部件当成产品系统的零件来考虑，便于全新产 品的开发和开展标准化模块设计工作。 ( 4 ) 为d f x ( d f a , d f m ) 等提供了条件。前期阶段确定的产品系统构架自顶 向下地传递总体设计信息；在后续设计中就可根据前期阶段的设计意图、约束要求 等进行可行性评价，从而实现面向装配的设计( d e s i g nf a c e da s s e m b l y - d f a ) 和面 向制造的设计( d e s i g nf a c e dm a n u f a c t m i n g - d f m ) 。 4 第一章绪论 1 2 3t o p d 洲n 设计系统研究现状刀 一直以来，研究和开发基于t o p - d o w n 设计方法的设计系统，是c a d 研究者 们研究和开发的一个热点问题。目前，已研究和开发出了一些较完善系统，具有代 表性的研究者及系统见下表1 1 ： 序号系统名称装配模型推理方法系统特点研究人员 lf 纠，r 关系模型手工交互式最早的原始模型m m a n t y l a 2d e l t a 层次模型专家系统，侧重功能理解 j i n c b rk a n g g u i 30 n o s i s 层次模型专家系统实现了抽象结构表 m e r v i r a n t a 达 4c o n g 日n 面向对象模型专家系统 侧重产品建模 s r e e n i v a s a r g o r t i 5 p r o t o p -层次模型手工交互式侧重基准约束传递p t c 公司 d o w n 表1 1t o p - d o w n 系统研究现状 ( 1 ) 交互式设计系统w a y t ，是由t o p - d o w n 的早期研究人员、芬兰赫尔辛基 大学的m m a n t y l a 提出，并于1 9 9 0 年在i b m 研发中心研制一套原型系统。主要 由功能设计、几何结构选择和约束求解三部分组成。 ( 2 ) 基于功能理解的设计系统d e l t a ，是j i n - k a n g g u i 等在w a y t 基础上，于 1 9 9 3 年开发的一套原型系统。该系统改进了产品模型的表达方法，增强了产品功 能模型的建模方法，将装配模型分为功能视图和结构视图两部分，同时增加了专家 系统推理功能。 ( 3 ) 功能与特征集成的产品建模系统g n o s i s ，由英国、芬兰、日本，美国等 多所大学合作，于1 9 9 6 年研制的智能制造系统( 蹦s ) 的一部分，由功能设计系 统s y s f u n d 和子结构设计系统m c o e s 两部分构成。 ( 4 ) 基于面向对象表达的t o p - d o w n 设计系统c o n g e n ，是由美国国家标准 与技术委员会( n i s d 组织s r g o r t i 等人提出的，1 9 9 8 年实现了一个原型系统，主 要实现产品的概念设计，并对产品的功能、结构、行为进行统一建模。 ( 5 ) p t c 公司的p r o t o p - d o w n 设计系统，先通过p r o l a y o u t 模块在二维环 境下定义产品的装配约束，并将这些约束传递到产品三维装配设计及分析中，是一 个实用的产品。 国内关于t o p - d o w n 设计系统研究起步相对较晚，主要集中在一些高校研究所 r d 1 等机构一“。湖南大学着眼于自顶向下的设计方法和装配模型在新产品开发中的应 河海大学硕士学位论文 基于t o p - d o w n 设计的装配模型建模方法研究 用及其支持系统的开发，给出了自顶向下的装配设计系统开发程序，构建产品的布 局，提供了一个面向装配的设计环境，通过层次化的装配模型和参数化的建模技术， 由产品的关键零件约束产生其它的零、部件，支持了产品从概念设计到详细设计。 同济大学在装配模型层次化的基础上，将顶层基本骨架作为自顶向下设计建模时传 递信息的纽带，以p r o e n g i n e e r 为技术平台，提出适应快速变型设计要求的装配 模型的建模方法，从而实现产品的变型设计和系列化设计。 另外，天津大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学c a d c a m 研究所等在上述 研究成果的基础上，对基于t o p d o w n 的装配建模技术也进行了多方面的研究，提 出了多种产品装配建模的切实可行的设计方案。 从目前研究现状来分析，一个支持t o p - d o w n 设计模式的c a d 设计系统应具 有以下功能： ( 1 ) 建立产品的与几何形状无关的功能结构，表达产品中各功能模块的功能特 性和模块间的功能关系。 ( 2 ) 依据产品的总体要求进行功能分解，产品的各种信息要求自顶向下传递， 分配到各个功能模块。 ( 3 ) 表达产品各种非几何特征信息。 ( 4 ) 能够对产品的功能结构进行分析和评价。 ( 5 ) 建立产品中各零部件的功能约束模型，零部件的划分和零件形状特征模型 的构造是在功能约束下进行的。 ( 6 ) 建立抽象零部件间装配关系模型，即可以定义没有明确划分的零部件问的 连接关系，并在零部件的设计完成后，自动继承装配关系。 1 3 选题目的及意义 产品装配建模是计算机辅助设计中的一个关键问题，模型的好坏，或者说建模 方法直接影响产品的结构、功能及许多经济因素。产品的设计从构思、概念表达、 结构设计、性能分析到最终的产品加工是一个非常复杂的过程，并且重复率相当 高。同一种机械产品不同型号其结构也不完全相同，但其外形尺寸和结构形式则基 本一致，不会有太大的变化。这种设计过程的复杂性、多样性和灵活性就要求设计 过程不是从零件开始到产品装配的b o t t o m - u p 设计，而是支持产品从概念设计到详 细设计的t o p - d o w n 设计方式。目前许多参数化c a d 系统都支持b o t t o m - u p 设计 模式，同时一些基于特征的参数化设计系统也具有t o p - d o w n 设计功能，但在实际 应用中还存在以下一些问题： ( 1 ) 在传统的设计过程中，通常用二维的装配草图( 布局图- - l a y o u t ) 来表达 产品的整体装配概念模型，通过布局实现设计信息自顶向下的传递，完成产品从概 6 第一章绪论 念设计到详细设计的过程；因二维布局图直观性较差，同时不能完整表达空间各零 件的静态或动态装配位置关系，因而不能用于复杂产品的设计中。 ( 2 ) 建模过程中，不能建立有效的约束机制，尤其当零件工作位置为动态时 ( 或运动到极限位置时) ，可能会出现干涉问题。 ( 3 ) 产品设计过程中，缺少一个统一的包含产品全部设计信息的装配概念模 型，无法支持以网络为平台的异地、多人、并行设计等。 本文在研究t o p - d o w n 设计方法及装配建模技术的基础上，以一手持式汽油钻 机的装配建模为例，针对现有计算机辅助设计系统中的不完善之处，采用基于 t o p - d o w n 设计的装配建模方法，提出在设计中，首先从产品的整体概念出发，确 定产品的基本功能，根据基本功能用三维结构简图初步进行产品的概念设计，建立 描述产品设计信息的装配概念模型，并逐步向具体能够实现该功能的结构映射，直 至完成各零部件的详细设计。 同二维的装配草图相比，三维装配概念模型能够更直观、更全面地反映设计者 的设计意图，并在概念设计阶段，依据装配概念模型进行初步的一些干涉检查、有 限元分析、运动分析等，提高了设计效率和设计质量。在整个过程，设计者可随时 对设计进行修改，在概念设计阶段，通过修改装配概念模型，实现对产品整体设计 方案的修改，且这种改变会通过特征的变动和传播，实现自顶向下的层层传播和变 动，从而改变装配体的整体功能结构；在详细设计阶段，通过对各零件细部结构的 修改，实现装配体局部结构形状的改变。 由于装配概念模型反映的是产品整体的、全局的信息，而不涉及零部件的具体 结构形状，其中的各零部件相对独立，因此容易实现设计过程的模块化、标准化， 且其结构形状的改变不会影响由装配概念模型确定的产品的整体布局，这为今后产 品的变型设计和优化设计奠定了很好的基础。整个设计过程在装配概念模型统一控 制下进行，便于实现以网络为平台的异地多人并行设计，不同学科、不同领域的设 计人员进行产品设计时能更有效地通讯、合作、获取信息及共享大量广泛的设计资 源【l z j ，未来的产品设计是基于网络、支持异地的多人并行、协同及面向产品全生命 周期的设计模式。 1 4 本课题的主要研究内容 针对目前大部分c a d 系统中采用的自底向上的装配建模方法及存在的问题，对 基于t o p - d o w n 设计方法与装配模型的装配建模方法进行了深入研究。着眼于t o p - d o w n 设计方法和装配模型在新产品开发中的应用，主要从自顶向下的设计方法和 装配模型等基础理论、关键技术及实际应用等方面进行了研究，并以上述设计理论 和方法为基础，完成了一手持式汽油钻的装配设计归纳起来，本文的研究重点集 中在以下几个方面： 7 河海大学硕士学位论文 基于t o p - d o w n 设计的装配模型建模方法研究 ( 1 ) 支持t o p - d o w n 设计的c a d 关键技术； ( 2 ) 支持t o p d o w n 设计方法的装配模型的表示方法，重点研究产品装配特征 的分类与表达、装配关系的表示方法、装配模型的构建方法等内容； ( 3 ) 早期概念设计阶段产品功能模型的表达，以及功能模型向结构模型的结 构映射； ( 4 ) 产品装配概念模型的建立，以及不同装配层次之间的约束与信息自顶向 下传递问题； ， ( 5 ) 零件详细设计；以上述设计理论和方法为基础，完成一手持式汽油钻的 自顶向下的装配建模，并开发标准件和常用件图库以提高产品设计速度和效率。 第二章支持t o p - d o w n 设计的c a d 关键技术 第二章支持t o p - d o w n 设计的c a d 关键 技术 t o p - d o w n 设计过程具有以下几个主要设计理念：确定设计意图( 即概念设- 计) ，产品的三维空间概念模型，通过此概念模型传递设计意图、共享设计信息， 在装配中的进行零件设计与编辑。因此，支持t o p - d o w n 设计的c a d 系统的必要 条件是，既能支持早期高层的概念设计，使得设计者能表达产品的功能要求，并在 设计过程中能维持和保证产品的功能要求，又能支持后期的底层的详细结构设计， 还符合并行工程等先进制造技术的功能和过程的集成要求，达到网络环境下分布式 并行、协同设计。基于特征的参数化建模技术将特征造型技术与参数化建模技术有 机地结合起来，从而为t o p - d o w n 的设计提供了有力的技术支持。 2 1 参数化技术与自顶向下设计 2 1 1 参数化设计思想 一直以来，机械设计师就梦想着利用计算机实现机械设计的自动化，即c a d 系统能自动捕捉设计者的设计意图，在保持拓扑信息不便的情况下，能灵活实时地 改变有关几何信息，实现对设计过程的智能化、自动化支持。机械设计过程的复杂 性，多样性和灵活性要求设计自动化必须走参数化的路子【2 】。参数化设计就是将模 型中的定量信息变量化，用灵活可变的参数来表示。对变量化参数赋予不同数值， 就可得到不同大小和形状的零件模型。利用参数化设计技术进行产品设计可以十分 容易地修改图形，并能将以往某些产品设计的经验和知识继承下来。设计者可以把 时间、精力集中于更具有创造性的概念和整体设计中去。这样就可以充分发挥创造 力，避免了手工造型的繁琐，提高了造型设计的精度和设计的效率。 在c a d 系统中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表 示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约 束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则 是通过尺寸标注表示的约束，如尺寸距离、角度尺寸，半径志存等。工程约束是指 尺寸间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们在数值和逻辑上的关系来表示。 在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要 满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些 设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可 变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不便参数。参数化设计的本 9 河海大学硕士学位论文 基于t o p - d o w n 设计的装配模型建模方法研究 质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型 中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意卧1 3 】。 2 1 2 参数化技术 到目前为止，国内外对参数化技术做了大量的研究工作，具有代表性的方法有 如下几种【1 1 7 l ： ( 1 ) 变动几何法 8 0 年代初，r a l i g h t 等人系统地提出了变动几何理论，该理论把二维图形 中的尺寸信息与图形信息联系起来，用尺寸来约束图形。该方法第一次系统地将尺 寸信息与图形联系起来，突破了孤立定义图形方法的局限，将尺寸作为图形的约束 条件引入，从而为二维、三维图形的参数化设计奠定了基础。但该方法只用于尺寸 本身约束图形，设计结果的修改会出现不确定性。 ( 2 ) 几何推理法 b a l d e f e l d ，h s u z n k i 等人提出的几何推理法，是通过一系列规则和推理明确 给定约束中所隐含的信息，然后用人工智能( 越) 和几何推理从已知条件中求解未 知参数。推理示意图如图2 1 所示。 该方法因把作图规则拆散成繁琐的约束谓词，所以存在系统庞大、运算速度 慢、对某些约束问题无法求解等问题，因此，不能适应和实现交互作图的需要。 图2 1 几何推理示意图 ( 3 ) d r o l l e r 的变量设计 d r o l l e r 的变量设计力求在设计过程中同步建立结构图形约束，当整个图形 的几何定义完成以后，意味着约束关系的完成。该方法从多方面、多角度、多准则 引进约束条件，这样才能使计算机生成的图形满足多方面、多层次的需要，完全实 现参数化设计。 这种方法在也是目前参数化设计中的普遍采用的参数化建模方法。正是有了这 种参数化建模技术，才使得数据的改变在不同层次( 如不同子装配系统和不同零件) 之间的传递交得唯一和即时这样，才有了真正意义上的自顶向下( t o p d o w n ) 设计，以及以这种设计为基础的并行设计，后者是团队设计的基础。 1 0 第二章支持t o p - d o w n 设计的c a d 关键技术 2 2 特征建模技术 特征技术是c a d c a m 技术发展中的一个新的里程碑，它是在c a d c a m 技 术的发展和应用达到一定的水平，要求进一步提高生产组织的集成化、自动化程度 的历史进程中发展起来的。特征建模( f e a t u r e - b a s e dm o d e l i n g ) 是将- - f j 新技术 特征技术引入到产品设计中，用更高一层的具有工程意义的特征体素来描述零件的 一种建模方式【1 3 l 。 2 2 1 特征概述 特征，英语为“f e a t m e ”，来源于拉丁文“f a c t u r a ”，意思是制造活动或成 型。在基于特征的实体造型系统中，特征是构成零件的基本元素，它们能以较高的 抽象级别、不需要解释的方式来表示一个产品。它既反映零件的几何信息，又反映 零件的加工工艺特征信息。例如，对孔的设计，非特征的系统常采用圆柱体与某个 实体进行逻辑运算来实现，计算机仅仅知道哪些部分没有材料而已，并不能“认 识”哪是一个孔。对基于特征的造型系统来说，孔是一个特征，具有直径、长度、 公差、表面粗糙度、位置等属性，并包括它在装配图中的情况。每一个特征基本上 对应一组加工制造方法。特征的“语义”，使设计人员和工艺人员对同一特征有相 同的理解，并且特征定义显示地包含了所有几何和非几何信息。因此，基于特征的 设计更适合于c a d c a m 的集成和c i m s 中的建模需要。 特征应满足以下要求： ( 1 ) 特征是以结构的实体几何( c s g ) 和边界表示( b - r e p ) 为基础的几何形体 定义； ( 2 ) 特征是参数化的几何实体，通过改变特征尺寸参数，可以用有限的特征构 造出各种零部件实体模型； ( 3 ) 特征具有自己的属性，如精度、材料、技术条件等。 2 2 2 特征分类 特征的分类方法很多，主要按产品定义的数据信息分类、按几何形状分类、按 功能分类、按制造方法分类等。从特征建模的角度出发可以将零件特征分以下6 类，如图2 2 所示。 形状特征( f o r mf e a t u r e ) ：用于描述某个有一定工程意义的几何形状信 息，是产品信息模型中最主要的特征信息之一。它是其他非几何信息如材料特征、 精度特征等的载体。形状特征可以分为主形状特征和辅形状特征。主形状特征用于 构造零件的主体形状( 如圆柱体、圆锥体等) ；辅形状特征用于对主特征的局部修饰 ( 如倒角、键槽、退刀槽、中心孔等) ，它依附在主特征之上。 河海大学硕士学位论文 基于t o p - d o w n 设计的装配模型建模方法研究 装配特征( a s s e m b l yf e a t u r e ) ：用于表达零件的装配关系，以及在装配过 程中所需用的信息。 精度特征( p r e c i s i o nf e a t u r e ) ：用于描述几何形状和尺寸的许可变动量或误 差，如尺寸公差、形状公差、表面粗糙度等。 材料特征( m a t e r i a lf e a t u r e ) ：用于描述零件材料的类型、理化指标及热处 理等特殊要求、表面处理的信息集合。 技术特征( t e c h n o l o g yf e a t u r e ) ：用于描述零件的性能、功能等相关信息， 如有限元网格划分等，也称性能分析特征。 管理特征( m a n a g e m e n tf e a t u r e ) ：用于表达一些与上述特征无关的产品特 征信息，如描述零件设计的g t ( 成组技术) 码等信息。 一般把形状特征与装配特征叫做造型特征，因为它们是即使构造出产品外形的 特征。其他的特征称为面向过程的特征，因为它们并不实际参与产品几何形状的构 造，属于与生产环境相关的特征。 2 2 3 特征建模技术 图2 2 特征分类 建模技术是c a d 系统的核心技术，因为它是分析计算的基础，也是实现计算 机辅助制造的基本手段。世界各国均致力于产品模型建模方法的研究，美国、日 本、德国、法国等国在这方面尤为突出。如美国空军i c a m 纲要p p d i 项目及其实 现系统( a m s ) ，a m s 由一个通用的c a d 系统、产生数据生成系统、自动控制和 集成标准工艺规程设计组成。p p d i 项目最终实现了c a d 系统与c a m 系统之间的 数据交换。后来为了表达产品完整的信息模型又发起了g m a p 项目研究，为现代 特征建模技术提供了有力的理论支持和数据基础。 从建模的角度来说，特征是一组具有特定关系的几何和拓扑元素，反映了一个 实际工程零件或部件的特定几何形状【1 9 】。因此，特征定义、识别等特征建模首先要 第二章支持t o p - d o w n 设计的c a d 关键技术 解决的问题。目前，基于特征的产品建模方法主要有交互式特征定义、自动特征识 别和基于特征的设计三种【啪。 ( 1 ) 交互式特征定义 交互式特征定义( i n t e r a c t i v ef e a t u r ed e f i n i t i o n ) 这种方式首先建立产品的几何 模型，然后由用户直接通过图形来提取定义特征所需的几何要素，输入工艺信息建 立零件或产品描述的数据结构，如图2 3 所示。 图2 3 交互式特征定义方法原理 交互特征定义过程包括特征的提取和参数计算两部分内容。特征的提取是用户 基于图形界面和已有的加工模型，通过交互选取零件的面组成新特征的面，同时对 已破坏掉的特征重新进行识别；特征参数的计算是另一项重要内容。由于用户的交 互选择是多种多样的，因此必须提供一种具有一般性的参数提取和计算方法。交互 特征定义方法由于需要用户基于产品的边界表示、交互定义出产品的所有加工特 征，因而直接面向应用使用者；但由于它是从零件的几何模型出发的，因而其结果 取决于用户的正确选择，而且其自动化程度过低。 ( 2 ) 自动特征识别 自动特征识别( f e a t u r er e c o g n i t i o n ) 是在建立几何模型后，通过启动专用程序， 利用实体建模信息，自动地处理几何数据库，识别特征，搜索并提取特征信息，产 生特征模型。如图2 4 所示。 图2 4 自动特征识别方法原理 自动特征识别的基本思想是通过对产品的实体模型，特别是边界表示，进行分 析和推理，由计算机自动识别和提取出产品所包含的加工特征，进而生成产品的加 工特征模型。该技术自7 0 年代末提出后，一直受到人们的高度重视，研究成果丰硕 近十年来，经过人们长期不懈的努力，自动特征识别研究取得了突飞猛进的进展， 先后提出了多种先进的自动加工特征识别方法，如面邻接图方法，基于痕迹的方 法，基于单元体分解的方法，和基于广义痕迹的特征识别方法等；并且这些方法无 论在处理相交特征和提供特征多重解释方面，还是在处理零件的复杂度方面，能力 河海大学硕士学位论文 基于t o p - d o w n 设计的装配模型建模方法研究 都得到了极大的提高。但由于应用需求的多样性和制造资源的约束，使得识别结果 有时很难被下游应用所接受；同时，又由于这些特征识别算法本身在识别相交特征 以及处理曲面特征方面的能力上的不足，大大限制了特征识别的应用范围。 ( 3 ) 基于特征的设计 基于特征的设计( d e s i g nb yf e a t u r e s ) 利用特征进行零件设计，预先将大量的标 准特征或用户自定义的特征存储进特征库里，在设计阶段调入特征库中的特征，将 之作为基本建模单位进行建模，再逐步输入几何信息、工艺信息建立零件的特征数 据模型，并将其存入数据库，如图2 5 所示。 基于特征的设计方法主要用于建立产品的参数化模型，易于实现数据共享，广 为主流的c a d 系统所用。 图2 5 基于特征的设计方法原理 传统的c a d 系统是基于几何建模基础上的，例如：常见的基于边界描述( b r e p ) 和构造几何法( c s o ) 的实体建模( s o l i dm o d e a i g ) ，这种建模方法只是记录了 零件的点、线、面、体以及它们之间的拓扑关系。特征概念的引入打破了这个局 限，基于特征的建模方法所构建的模型传递的信息是特征，它符合人们思维的高层 次工程描述信息，并反映设计和制造意图。由此可见，特征模型与特征造型有如下 优点： ( 1 ) 特征模型具有多个层次，能提供产品的多层抽象信息。 ( 2 ) 特征模型包含设计意图和一定的应用领域知识。 ( 3 ) 特征造型提高了产品定义的速度和方便性。 ( 4 ) 特征造型支持设计变动传播。 1 4 第三章支持t o p - d o w n 设计的装配模型研究 第三章支持t o p d o w n 设计的装配模型研究 在产品信息模型中，零件模型和装配模型是两个重要的模型。根据t o p - d o w n 的设计思想，正确的设计顺序应为先装配设计后零件设计。建立装配模型时还没有 零件的设计信息，只有零件的一些抽象描述，因此，如何合理构建装配结构，完成 装配层次上零件的抽象描述和基于抽象零件的装配建模描述，并根据装配结构传递 设计意图和设计参数，在更高层次上支持自项向下的设计方式，实现设计与产品生 命周期中其它过程的集成，是目前有关装配模型研究的重点。 3 1t o p - d o w n 设计对装配模型的要求 3 1 1 并行工程对产品装配建模的要求 随着世界经济的飞速发展，市场竞争日益激烈，降低产品成本、提高产品质量 和缩短产品开发周期已成为企业生存和发展的关键。在这种形势下，并行工程作为 一种有效的